基于BIM+GIS的鐵路工程建設管理一張圖關鍵技術研究及應用

鮑 榴,楊 斌,楊 威,王萬齊,陳雪嬌

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所,北京 100081； 2.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心,北京 100844 )

鐵路建設屬于大型基建項目，具有規模大、標準高、周期長，建設速度快、管理分散，協調關系復雜等特點[1]。隨著鐵路技術的不斷發展，“高質量、高速度、高舒適、高安全”已成為現在鐵路工程建設的目標。傳統的管理模式很難實現鐵路建設過程中進度、質量、安全等各項數據資源的高效協同管理。因此，利用建筑信息模型(BIM)及三維可視化的地理信息系統(GIS)，對鐵路工程在其建設管理過程中所涉及的資源、活動和產品等進行有效的組織和管理，提高工程建設各階段信息共享水平，節約成本，避免浪費[2]。

BIM與GIS技術的深度融合，在城市建筑、水利工程、軌道交通等領域已具備設計優化、碰撞檢查、工程算量及虛擬施工等成熟應用。GIS反映現實世界，BIM構建現實世界，二者的思維方式和實時過程是互逆的。BIM是從無到有的過程，即從人腦到實體的過程；GIS是從有到虛擬的過程，即從實體到人腦(對現實世界的空間認知)的過程，BIM側重于三維建筑智慧設計以及幾何語義表達；GIS側重于利用空間數據庫對模型、多源數據的分級組織管理，二者集成構成一個閉環，因此3D GIS與BIM的集成是必然和可操作的[3-5]。由于鐵路是線狀結構，若進行全專業BIM與GIS融合設計，則涉及到航察、線路、站房、地質、橋梁、隧道等多達40多項專業的協同設計，為實現“點”與“線”設計建設的協同管理，鐵路全專業的BIM設計必將與GIS結合起來[6-8]。因此，實現GIS宏觀應用的廣度和BIM精細應用的深度結合。大量高精度BIM模型可作為GIS系統中的一個重要數據來源，而BIM與GIS的集成與融合能實現鐵路建筑信息全生命周期信息化管理的革命性轉變，深化多領域的協同應用[9-11]，為鐵路工程建設解決專業眾多、數據海量、數據層級關系復雜等問題創造必要條件[12-14]。

鐵路資源信息與地理信息存在緊密的關聯性和依附性，依托BIM+GIS技術，將鐵路工程路、橋、隧等不同工況類型的設計信息[15-16]、建設信息基于BIM模型進行映射集成，通過全過程動態、靜態信息的高度融合，以及多層次、多粒度、多維度的信息匯聚與關聯，實現鐵路工程資源信息的立體化、可視化，為建設管理與決策提供強有力的技術支撐[17]。鑒于此，在鐵路工程建設管理領域，通過建設管理一張圖的構建，結合GIS、BIM和數據輕量化混合技術，搭建數據結構互融互通共享的鐵路工程建設管理BIM+GIS一張圖系統(以下簡稱“一張圖系統”)，實現工程建設數據共享與靈活調用，滿足京雄高鐵全線可視化、數字化、精益化建設管理需求。

1 需求分析與設計

1.1 建設目標

一張圖系統是以鐵路工程建設階段的數據資源為管理對象，基于BIM與3D GIS核心技術，實現多源、多維、異構海量時空數據的無縫融合，通過對進度、質量、安全、投資等業務數據的集成管理，實現工程建設信息“一張底圖、共享建庫、集成展示”，同時提供多源異構融合數據資源訪問服務，保證各參建單位能夠按需獲取價值信息的目標。

一張圖系統按照BIM源頭標準設計，通過對航拍、衛星影像、數字高程模型、傾斜攝影模型、GIS矢量和工程CAD圖等海量多源異構數據進行融合，在統一要素編碼規范基礎上，搭建基于WebGL的BIM+GIS多層級立面協同管理云平臺。通過數據建模、輕量化、融合及接口訪問技術，匯聚成一張圖的GIS基礎數據庫、BIM模型庫與業務數據庫，并提供統一的數據訪問服務，實現工程建設多源時空數據的多層次可視化綜合展示和統計分析；深度集成施工級BIM應用系統，從宏觀、中觀及微觀尺度展現全線建設概貌、鐵路沿線周邊地形地貌、風險動態監測區域及微觀尺度的構件級三維形象進度、質量安全紅線及問題部位處理進程，滿足鐵路工程全線三維數字化建設管理需求。

1.2 總體架構

一張圖系統是鐵路工程管理平臺的重要組成部分，鐵路主數據中心為一張圖系統運行提供計算資源、存儲資源和網絡資源等基礎設施環境支撐。一張圖系統以高鐵建設管理業務實際需求為導向，基于信息化頂層規劃，采用基于B/S的N層架構體系，利用BIM+3D GIS為核心的三維數字技術，以面向服務架構為主線，從用戶需求、數據分類、數據集成服務和功能設計等4個方面構建符合項目建設及施工精細化管理BIM+GIS建設管理一張圖系統。一張圖系統依據數據接口接入鐵路工程管理平臺業務主數據，與BIM、GIS、傾斜攝影等數據信息共同構成一張圖系統底層數據，形成數據管理、進度管理、質量管理、安全管理及征地拆遷等上層業務應用，為建設階段各級管理用戶提供先進的BIM+GIS可視化服務。系統總體架構如圖1所示。

1.3 數據架構

一張圖系統的數據主要包括設計期數據、建設期數據、聯調調試數據、BIM、GIS、航拍視頻及傾斜攝影等數據，通過對數據的分類組織形成系統底層數據組織基礎，為上層功能應用提供基礎數據服務。

設計期數據包括設計圖紙、地質信息、地理信息等；建設數據包括進度、質量、安全等建設業務數據；聯調聯試數據包括工務、電務、供電專業的檢測數據；基礎數據包括人員機構、項目信息等數據。通過業務數據共享接口、基礎數據服務共享接口接入至建設管理一張圖系統，數據架構如圖2所示。

圖1 總體架構

1.4 技術架構

一張圖系統采用SpringBoot微服務架構，按照不同的業務進行模塊劃分，每個業務模塊作為一個微服務。業務模塊之間采用共享數據庫以及微服務通信進行數據共享和交互。平臺采用Spring Security進行統一權限管理，實現業務模塊用戶認證和授權管理，技術架構如圖3所示。

1.5 功能設計

一張圖系統利用三維BIM+GIS管理模式，支持大屏、PC端等不同終端類型的接入顯示前提下，主要在三維工具集、進度管理、質量管理、安全管理以及數據管理等方面進行系統功能設計。三維工具集模塊包括圖層切換、地形透明度、底圖切換、模糊檢索定位、飛行漫游、圖層結構樹以及航拍視頻等功能；進度管理主要包括實物工程量、卡控點進度預警、形象進度等功能；質量管理模塊包括拌和站、試驗室、樁基檢測、隱蔽工程影像等管理等功能；安全管理模塊主要包括視頻監控、圍巖量測、超前地質預報、工程線運輸調度等功能；數據管理模塊主要包括要素分類編碼管理、圖層分類編碼管理、比例尺與符號庫管理等功能；系統管理主要是對用戶、權限、版本以及操作日志管理。系統功能架構如圖4所示。

圖2 數據架構

圖3 技術架構

圖4 功能設計

2 關鍵技術

為實現鐵路工程建設階段的可視化展示、過程化管理及多維數據集成共享，建設管理一張圖系統需要BIM與GIS數據轉換、模型輕量化、數據融合、數據存儲、數據集成等技術支撐。

2.1 BIM與GIS數據轉換技術

針對設計單位和施工單位交付模型格式不一的問題，自主二次開發插件支持.rvt、.dgn、IFC等多種BIM數據格式向S3M、3D Tiles、obj等3D GIS主流數據格式轉換，重點研究了幾何模型簡化、頂點壓縮、數模分離及語義映射等關鍵技術，對轉換得到的數據格式進行模型數據編輯，包括添加坐標參考信息、單例化處理、貼圖材質編輯、輕量化處理等，實現BIM與GIS的數據轉換與無縫對接。

2.2 BIM+GIS多源數據融合技術

多源異構數據融合及多尺度展示技術以BIM、GIS多源異構數據融合為主線，突破傾斜攝影模型與地形數據融合、粗略衛星影像與局部精細航測影像融合及粗略DEM與局部精細制作DEM融合以及BIM模型與地形影像數據融合等關鍵技術。

通過GIS平臺對融合數據進行綜合管理，為不同管理需求提供宏觀、中觀、微觀三個層次尺度的服務，有效輔助建設施工及后期運維管理。

(1)宏觀尺度

宏觀尺度主要展現鐵路建設整塊區域全線建設概貌。采用整個大范圍粗略衛星影像與局部精細航測影像進行數據融合數據，在鐵路大場景模型數據中宜采用混合分辨率數據管理(瓦片圖像多層分級管理)；鐵路線路及1 km左右范圍的地形模型與影像采用高分辨率的數據；對距鐵路線較遠處采用低分辨率數據。通過設置不同高度對應的影像顯示分辨率級別。

(2)中觀尺度

中觀尺度上表現為某一標段，切換到局部視角時則顯示地表精細航測影像，以表達詳細地表紋理信息、重要標段、鐵路線沿線周邊地形地貌、風險動態監測區域。

(3)微觀尺度

微觀尺度主要展現為模型構件各專業單體內部相關構件及其詳細的三維形象進度、質量安全紅線及問題部位處理進程。

2.3 BIM與GIS數據存儲管理技術

建立統一的數據存儲管理，提高GIS平臺對空間數據的承載能力。對于地形、遙感影像、傾斜模型、點云等數據采用瓦片化的文件格式進行數據存儲；對于軌道、路基、橋涵、隧道、牽引變電、接觸網、給排水、通信、信號等BIM模型采用緩存切片文件格式進行數據存儲，其屬性數據進行數模分離后采用關系型數據庫進行存儲；鐵路工程業務數據采用關系型數據庫進行存儲。

2.4 空間數據可視化動態渲染展示技術

搭建基于WebGL的云GIS平臺，將BIM模型按照所在的地理坐標和范圍進行動態加載。BIM模型被切片生成不同精細程度的模型切片。通過四叉樹空間索引實現基于視點距離的BIM模型動態加載。根據視距和相機位置，加載不同范圍及精細程度的BIM模型。采用LOD結構和實例化技術突破高密度模型的瀏覽性能瓶頸：LOD技術可根據距離遠近來選擇展示不同精細程度的模型，極大緩解顯卡渲染壓力；采用實例化技術實現復用模型，顯著提高渲染效率。

2.5 BIM模型輕量化技術

為提升BIM模型的加載和運行效率，開發模型數據轉換工具對模型進行輕量化處理，在處理過程中分析模型的數據，對需要的幾何數據進行提取，減少造型數據，從而減小模型的體量，減少模型面片數量，提高顯示效率；采用異步加載的方法，將模型加載和模型顯示分開處理，利用背面剔除的方法，減小需要顯示的模型的體量，提升對顯存、內存的釋放效率，確保資源的合理應用，增加顯示效率和流暢度；BIM模型在進行輕量化處理后轉化成為統一格式的輕量化模型文件，解決了各個BIM建模軟件模型格式不統一的問題，實現BIM模型和數據的共享。

2.6 基于BIM模型的多源數據關聯技術

結合BIM應用現狀及鐵路BIM聯盟頒布的相關技術標準，對鐵路工程數據分類及傳遞流程開展研究，以IFD和EBS分類編碼體系為關聯，通過數據編碼關聯、特征映射和數據重構，形成基于BIM的多源數據整合關聯和分析應用，評估設施和設備運維需求，進行鐵路大跨度橋梁構件劃分和設施設備的構建，通過標準化編碼及BIM模型綁定，整合各分散信息源，實現數據時空融合和綜合應用。主要涉及信息模型分類存儲、信息交互共享技術和基于運維的橋梁模型構建技術。

3 應用實踐

一張圖系統通過對建設項目的三維建模，實現對建設項目全線的三維可視化服務。通過運用BIM與GIS數據轉換、存儲、服務等關鍵技術，實現對鐵路建設項目進度、質量、安全、大臨、征拆等信息的集成管理。一張圖系統在京雄城際鐵路進行試點應用。

質量信息管理提供沉降觀測、隱蔽工程影像、試驗室、拌和站、檢驗批、施工日志等與質量密切相關的數據信息，如圖5、圖6所示。

圖5 質量管理

圖6 樁基檢測信息

在進度管理方面，通過工程進度數據采集比對設計與施工進度計劃，實現對進度狀態的表達，確保施工管理人員通過模型就能對施工進度情況全面掌握，三維形象進度如圖7所示。

圖7 三維形象進度

對全線的特殊及重難點工程進行卡控式集中統一管理，關注進度、質量安全及實時監控監測數據，實現全面與局部相結合管理。重點關注工程如圖8所示。

圖8 重點關注工程

4 創新點

(1)依托鐵路BIM聯盟發布的BIM系列標準，建立支撐各方協同應用落地的鐵路BIM標準數據庫。通過BIM技術結合工程外業、內業管理和生產組織，應用數據分類編碼、數字化、構件化等技術，實現對鐵路工程實體單元的劃分。通過建立實體單元的編碼體系和表達規范，實現工程實體和設備的單元化、規范化管理；通過統一數據格式和接口標準，實現從BIM設計到施工各業務系統之間的互聯互通、數據集成和數據共享。

(2)首次采用二/三維BIM模型一體化設計、竣工交付模式，實現三階段兩交付的全壽命周期的數據傳遞和共享，初步實現設計、竣工成果的數字化管理。

(3)基于BIM、GIS與工程建設業務數據融合，構建面向京雄高鐵的時空大數據技術框架，突破京雄高鐵全線動態多源數據的融合，實現時空大數據應用場景下的大規模數據可視化。

5 結語

針對鐵路工程項目建設管理需求，提出基于BIM+GIS的一張圖管理模式，實現了大體量BIM模型輕量化處理、海量數據匯集以及基于BIM的多源數據關聯融合等關鍵技術，并從總體架構、數據架構、技術架構和功能設計等方面提出解決方案，研發京雄高鐵BIM+GIS建設管理一張圖系統，實現工程建設數據綜合可視化描述分析，設計成果管理、建設施工管理與竣工交付各階段的數據共享、信息傳遞、靈活調用，滿足京雄高鐵全線三維可視化、數字化、全要素信息建設管理精益化需求。